Impacto producido en la calidad de potencia de una red de distribución eléctrica residencial debido a la recarga de vehículos eléctricos

Abstract

El inminente incremento en la cantidad de vehículos eléctricos (EVs) a nivel mundial por ser una de las principales tendencias de desarrollo en el ámbito de las tecnologías sostenibles, ha sido motivo de interés por parte de los operadores de red, principalmente por los efectos de esta tecnología sobre la calidad de potencia de las redes eléctricas, es decir, sobre las características eléctricas de una red que permiten satisfacer las necesidades de los usuarios. Numerosos estudios presentan como uno de los principales puntos de afectación las redes residenciales, en las cuales los usuarios pueden conectar sus vehículos cuando estén en sus hogares. Con la finalidad de entender mejor los posibles efectos de los EVs sobre las redes eléctricas residenciales, se propuso el objetivo de evaluar desde un punto de vista normativo el impacto sobre la calidad de potencia de una red residencial eléctrica en baja tensión frente a diferentes grados de penetración de vehículos eléctricos. Para la consecución del objetivo se empleó por un lado una metodología basada principalmente en la aplicación, desarrollo y articulación de modelos matemáticos y ajustes probabilísticos con Modelos Gaussianos Mixtos elaborados a partir de mediciones experimentales, para representar el comportamiento de las variables eléctricas de los vehículos durante su recarga y el efecto que tienen sus corrientes armónicas sobre el envejecimiento de transformadores de cabecera en sistemas desbalanceados. Por otro lado, se utilizaron encuestas locales para modelar los patrones aleatorios de los usuarios de los vehículos en cuanto a su estado de carga y hora de conexión a la red. Los resultados de los modelos se combinaron para elaborar perfiles de carga que representan el comportamiento promedio de las variables eléctricas de los vehículos a lo largo de cada momento del día. Finalmente se incorporaron estos perfiles con mediciones experimentales realizadas bajo estándares normativos de la calidad de potencia de una red eléctrica en baja tensión de un conjunto residencial tomado como caso de estudio, verificando el cambio de los diferentes indicadores reglamentarios asociados a las variables de calidad de potencia frente diferentes niveles de penetración de vehículos eléctricos. Los resultados obtenidos bajo la metodología de evaluación de la norma NTC-2050 indican que el impacto promedio de los EVs puede llegar a ser bajo, y que existe una fuerte relación entre su efecto sobre la red eléctrica y el estado de carga que tuvieron al momento de su conexión. Se encontró que el impacto sobre factor de potencia llega a ser despreciable, que las corrientes armónicas de la carga de los vehículos son de un orden de magnitud que no compromete la vida operativa del transformador de cabecera, y que el principal impacto sobre la red se da en términos de la cargabilidad del transformador y el desbalance de tensión. En contraste, normativamente los indicadores asociados a la distorsión armónica de la red pueden disminuir por la metodología de evaluación. Adicionalmente se obtuvo que a pesar de que el impacto promedio es bajo, pueden existir casos críticos donde los efectos sean significativamente superiores a los esperados, especialmente para el desbalance de tensión.

The imminent increase in the Electric vehicles worldwide deployment caused by being one of the main development tendencies in the field of sustainable technologies has been a concern for the Network Operators, mainly because of the effects of this technology on the power quality of the electrical grids.

Various studies have pointed to residential grids as one of the main locations to be affected, since the Evs' users tend to recharge their vehicle when they are at home. With the purpose to get a better understanding of the effect of electric vehicles on residential grids, the objective of evaluate the effect of EVs on the power quality of a low voltage residential network from a normative scope the has been stated.

To achieve the previous objective, in one hand it was adopted a methodology based mainly on the implementation, development and articulation of mathematical and Gaussian Mixture Models elaborated from experimental data, that were used to characterize the electric variables of the EV charging process and header transformers' aging due to the harmonic currents of the electric vehicles in unbalanced systems. On the other hand, local surveys were carried out to determine and model the random patterns of the vehicles' users in terms of the moment and state of charge of the EV connection. The results of the models were combined to elaborate charging profiles that represent the mean behavior of the electric variables of the EV throughout each moment of the day. Finally, this profiles were incorporated to experimental data acquired form power quality measurements in a low voltage electric residential grid taken as case study, verifying the changes on the normative indexes associated with power quality evaluation.

The obtained results show that using the evaluation methodology presented in the standard NTC-2050, the mean impact of the EVs tends to be low, and that a strong relation exists between the vehicle's effects on the grid and the state of charge they had in the moment of the connection. It was also found that the impact on power factor is irrelevant, that harmonic currents have a magnitude order that do not compromise the operative life of the header transformer, and that the main impact on the grid is the effect on the the voltage unbalance. In opposite, the normative indexes of harmonic distortion can tend to decrease due to the evaluation methodology. Additionally, it was obtained that despite that the mean effect is not relevant, there are cases where these impacts will increase significantly, specially for voltage unbalances.